Mega Code Archive

 
Categories / Java / Development Class
 

Mersenne Twister

//package org.aitools.util.math; import java.io.IOException; import java.io.ObjectInputStream; import java.io.ObjectOutputStream; import java.io.Serializable; /**  * <h3>Mersenne Twister and MersenneTwisterFast</h3>  * <p>  * <b>Version 3 </b>, based on version MT199937(99/10/29) of the Mersenne  * Twister algorithm found at <a  * href="http://www.math.keio.ac.jp/matumoto/emt.html"> The Mersenne Twister  * Home Page </a>. By Sean Luke, June 2000.  * <p>  * <b>MersenneTwister </b> is a drop-in subclass replacement for  * java.util.Random. It is properly synchronized and can be used in a  * multithreaded environment.  * <p>  * <b>MersenneTwisterFast </b> is not a subclass of java.util.Random. It has the  * same public methods as Random does, however, and it is algorithmically  * identical to MersenneTwister. MersenneTwisterFast has hard-code inlined all  * of its methods directly, and made all of them final (well, the ones of  * consequence anyway). Further, these methods are <i>not </i> synchronized, so  * the same MersenneTwisterFast instance cannot be shared by multiple threads.  * But all this helps MersenneTwisterFast achieve over twice the speed of  * MersenneTwister.  * <h3>About the Mersenne Twister</h3>  * <p>  * This is a Java version of the C-program for MT19937: Integer version. The  * MT19937 algorithm was created by Makoto Matsumoto and Takuji Nishimura, who  * ask: "When you use this, send an email to: matumoto@math.keio.ac.jp with an  * appropriate reference to your work". Indicate that this is a translation of  * their algorithm into Java.  * <p>  * <b>Reference. </b> Makato Matsumoto and Takuji Nishimura, "Mersenne Twister:  * A 623-Dimensionally Equidistributed Uniform Pseudo-Random Number Generator",  * <i>ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation, </i> Vol. 8, No. 1,  * January 1998, pp 3--30.  * <h3>About this Version</h3>  * This version of the code implements the MT19937 Mersenne Twister algorithm,  * with the 99/10/29 seeding mechanism. The original mechanism did not permit 0  * as a seed, and odd numbers were not good seed choices. The new version  * permits any 32-bit signed integer. This algorithm is identical to the MT19937  * integer algorithm; real values conform to Sun's float and double random  * number generator standards rather than attempting to implement the half-open  * or full-open MT19937-1 and MT199937-2 algorithms.  * <p>  * This code is based on standard MT19937 C/C++ code by Takuji Nishimura, with  * suggestions from Topher Cooper and Marc Rieffel, July 1997. The code was  * originally translated into Java by Michael Lecuyer, January 1999, and is  * Copyright (c) 1999 by Michael Lecuyer. The included license is as follows:  * <blockquote><font size="-1"> The basic algorithmic work of this library  * (appearing in nextInt() and setSeed()) is free software; you can redistribute  * it and or modify it under the terms of the GNU Library General Public License  * as published by the Free Software Foundation; either version 2 of the  * License, or (at your option) any later version.  * <p>  * This library is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT  * ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS  * FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU Library General Public License for more  * details. You should have received a copy of the GNU Library General Public  * License along with this library; if not, write to the Free Foundation, Inc.,  * 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA </font> </blockquote>  * <h3>Bug Fixes</h3>  * <p>  * This implementation implements the bug fixes made in Java 1.2's version of  * Random, which means it can be used with earlier versions of Java. See <a  * href="http://www.javasoft.com/products/jdk/1.2/docs/api/java/util/Random.html">  * the JDK 1.2 java.util.Random documentation </a> for further documentation on  * the random-number generation contracts made. Additionally, there's an  * undocumented bug in the JDK java.util.Random.nextBytes() method, which this  * code fixes.  * <h3>Important Note on Seeds</h3>  * <p>  * Just like java.util.Random, this generator accepts a long seed but doesn't  * use all of it. java.util.Random uses 48 bits. The Mersenne Twister instead  * uses 32 bits (int size). So it's best if your seed does not exceed the int  * range.  * <h3>Timings On Different Java Versions</h3>  * <p>  * MersenneTwister can be used reliably on JDK version 1.1.5 or above. Earlier  * Java versions have serious bugs in java.util.Random; only MersenneTwisterFast  * (and not MersenneTwister nor java.util.Random) should be used with them. And  * why would you use 'em anyway? They're very slow, as you'll see. Here are some  * timings in milliseconds on a Sun Creator3D/Ultra 60 running SunOS 5.6.  * <dl>  * <dt><i>Standard C Version (gcc -O2) </i>  * <dd>1070  * <dt><i>Standard C Version (Solaris cc -O) </i>  * <dd>1210  * <dt><i>JDK 1.2.2 w/Hotspot Compiler (-O) </i>  * <dd>MTF: 1785, MT: 3699, java.util.Random: 4849  * <dt><i>JDK 1.2.1/1.2.2 (-O) </i>  * <dd>MTF: 1827, MT: 3868, java.util.Random: 4194  * <dt><i>JDK 1.1.8 (-O) </i>  * <dd>MTF: 40509, MT: 45853, java.util.Random: 24604 <br>  * Beats me why it's so slow...  * <dt><i>JDK 1.1.5 (-O) </i>  * <dd>MTF: 4056, MT: 20478, java.util.Random: 19692  * <dt><i>JDK 1.0.2 (-O) </i>  * <dd>MTF: 71640, MT: 66176, java.util.Random: 67269 <br>  * <i>Important note: </i> Do not MersenneTwister.java or java.util.Random on a  * Java version this early! Random number generation in versions less than 1.1.5  * has serious bugs.  * </dl>  *   * @version 3  */ public class MersenneTwister extends java.util.Random implements Serializable {     // Period parameters     private static final int N = 624;     private static final int M = 397;     private static final int MATRIX_A = 0x9908b0df;     // private static final * constant vector a     private static final int UPPER_MASK = 0x80000000;     // most significant w-r bits     private static final int LOWER_MASK = 0x7fffffff;     // least significant r bits     // Tempering parameters     private static final int TEMPERING_MASK_B = 0x9d2c5680;     private static final int TEMPERING_MASK_C = 0xefc60000;     // #define TEMPERING_SHIFT_U(y) (y >>> 11)     // #define TEMPERING_SHIFT_S(y) (y << 7)     // #define TEMPERING_SHIFT_T(y) (y << 15)     // #define TEMPERING_SHIFT_L(y) (y >>> 18)     private int mt[]; // the array for the state vector     private int mti; // mti==N+1 means mt[N] is not initialized     private int mag01[];     // a good initial seed (of int size, though stored in a long)     private static final long GOOD_SEED = 4357;     /*      * implemented here because there's a bug in Random's implementation of the      * Gaussian code (divide by zero, and log(0), ugh!), yet its gaussian      * variables are private so we can't access them here. :-(      */     private double __nextNextGaussian;     private boolean __haveNextNextGaussian;     /**      * Constructor using the default seed.      */     public MersenneTwister()     {         super(GOOD_SEED); /* just in case */         setSeed(GOOD_SEED);     }     /**      * Constructor using a given seed. Though you pass this seed in as a long,      * it's best to make sure it's actually an integer.      *       * @param seed the seed to use      */     public MersenneTwister(final long seed)     {         super(seed); /* just in case */         setSeed(seed);     }     /**      * Initalize the pseudo random number generator. This is the old      * seed-setting mechanism for the original Mersenne Twister algorithm. You      * must not use 0 as your seed, and don't pass in a long that's bigger than      * an int (Mersenne Twister only uses the first 32 bits for its seed). Also      * it's suggested that for you avoid even-numbered seeds in this older      * seed-generation procedure.      *       * @param seed the seed to use      */     synchronized public void setSeedOld(final long seed)     {         // it's always good style to call super         super.setSeed(seed);         // Due to a bug in java.util.Random clear up to 1.2, we're         // doing our own Gaussian variable.         this.__haveNextNextGaussian = false;         this.mt = new int[N];         // setting initial seeds to mt[N] using         // the generator Line 25 of Table 1 in         // [KNUTH 1981, The Art of Computer Programming         // Vol. 2 (2nd Ed.), pp102]         // the 0xffffffff is commented out because in Java         // ints are always 32 bits; hence i & 0xffffffff == i         this.mt[0] = ((int) seed); // & 0xffffffff;         for (this.mti = 1; this.mti < N; this.mti++)             this.mt[this.mti] = (69069 * this.mt[this.mti - 1]); // &         // 0xffffffff;         // mag01[x] = x * MATRIX_A for x=0,1         this.mag01 = new int[2];         this.mag01[0] = 0x0;         this.mag01[1] = MATRIX_A;     }     /**      * An alternative, more complete, method of seeding the pseudo random number      * generator. array must be an array of 624 ints, and they can be any value      * as long as they're not *all* zero.      *       * @param array an array of 624 ints      */     synchronized public void setSeed(final int[] array)     {         // it's always good style to call super --         // we'll use MT's canonical random number, but it doesn't         // really matter.         super.setSeed(4357);         // Due to a bug in java.util.Random clear up to 1.2, we're         // doing our own Gaussian variable.         this.__haveNextNextGaussian = false;         this.mt = new int[N];         System.arraycopy(array, 0, this.mt, 0, N);         this.mti = N;         // mag01[x] = x * MATRIX_A for x=0,1         this.mag01 = new int[2];         this.mag01[0] = 0x0;         this.mag01[1] = MATRIX_A;     }     /**      * Initalize the pseudo random number generator. Don't pass in a long that's      * bigger than an int (Mersenne Twister only uses the first 32 bits for its      * seed).      *       * @param seed the seed to use      */     @Override     synchronized public void setSeed(final long seed)     {         // it's always good style to call super         super.setSeed(seed);         // seed needs to be casted into an int first for this to work         int _seed = (int) seed;         // Due to a bug in java.util.Random clear up to 1.2, we're         // doing our own Gaussian variable.         this.__haveNextNextGaussian = false;         this.mt = new int[N];         for (int i = 0; i < N; i++)         {             this.mt[i] = _seed & 0xffff0000;             _seed = 69069 * _seed + 1;             this.mt[i] |= (_seed & 0xffff0000) >>> 16;             _seed = 69069 * _seed + 1;         }         this.mti = N;         // mag01[x] = x * MATRIX_A for x=0,1         this.mag01 = new int[2];         this.mag01[0] = 0x0;         this.mag01[1] = MATRIX_A;     }     /**      * @param bits the number of bits to use      * @return an integer with <i>bits</i> bits filled with a random number      */     @Override     synchronized protected int next(final int bits)     {         int y;         if (this.mti >= N) // generate N words at one time         {             int kk;             for (kk = 0; kk < N - M; kk++)             {                 y = (this.mt[kk] & UPPER_MASK) | (this.mt[kk + 1] & LOWER_MASK);                 this.mt[kk] = this.mt[kk + M] ^ (y >>> 1) ^ this.mag01[y & 0x1];             }             for (; kk < N - 1; kk++)             {                 y = (this.mt[kk] & UPPER_MASK) | (this.mt[kk + 1] & LOWER_MASK);                 this.mt[kk] = this.mt[kk + (M - N)] ^ (y >>> 1) ^ this.mag01[y & 0x1];             }             y = (this.mt[N - 1] & UPPER_MASK) | (this.mt[0] & LOWER_MASK);             this.mt[N - 1] = this.mt[M - 1] ^ (y >>> 1) ^ this.mag01[y & 0x1];             this.mti = 0;         }         y = this.mt[this.mti++];         y ^= y >>> 11; // TEMPERING_SHIFT_U(y)         y ^= (y << 7) & TEMPERING_MASK_B; // TEMPERING_SHIFT_S(y)         y ^= (y << 15) & TEMPERING_MASK_C; // TEMPERING_SHIFT_T(y)         y ^= (y >>> 18); // TEMPERING_SHIFT_L(y)         return y >>> (32 - bits); // hope that's right!     }     /*      * If you've got a truly old version of Java, you can omit these two next      * methods.      */     private synchronized void writeObject(final ObjectOutputStream out) throws IOException     {         // just so we're synchronized.         out.defaultWriteObject();     }     private synchronized void readObject(final ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException     {         // just so we're synchronized.         in.defaultReadObject();     }     /**      * This generates a coin flip with a probability <tt>probability</tt> of      * returning true, else returning false. <tt>probability</tt> must be      * between 0.0 and 1.0, inclusive. Not as precise a random real event as      * nextBoolean(double), but twice as fast. To explicitly use this, remember      * you may need to cast to float first.      *       * @param probability the probability to use (between 0.0 and 1.0)      * @return the coin flip result      */     public boolean nextBoolean(final float probability)     {         if (probability < 0.0f || probability > 1.0f)             throw new IllegalArgumentException("probability must be between 0.0 and 1.0 inclusive.");         return nextFloat() < probability;     }     /**      * This generates a coin flip with a probability <tt>probability</tt> of      * returning true, else returning false. <tt>probability</tt> must be      * between 0.0 and 1.0, inclusive.      *       * @param probability must be between 0.0 and 1.0      * @return the result of the coin flip      */     public boolean nextBoolean(final double probability)     {         if (probability < 0.0 || probability > 1.0)             throw new IllegalArgumentException("probability must be between 0.0 and 1.0 inclusive.");         return nextDouble() < probability;     }     /**      * A bug fix for all versions of the JDK. The JDK appears to use all four      * bytes in an integer as independent byte values! Totally wrong. I've      * submitted a bug report.      *       * @param bytes the bytes for which to get the next bytes (?)      */     @Override     public void nextBytes(final byte[] bytes)     {         for (int x = 0; x < bytes.length; x++)             bytes[x] = (byte) next(8);     }     /**      * For completeness' sake, though it's not in java.util.Random.      *       * @return the next char      */     public char nextChar()     {         // chars are 16-bit UniCode values         return (char) (next(16));     }     /**      * For completeness' sake, though it's not in java.util.Random.      *       * @return the next short      */     public short nextShort()     {         return (short) (next(16));     }     /**      * For completeness' sake, though it's not in java.util.Random.      *       * @return the next byte      */     public byte nextByte()     {         return (byte) (next(8));     }     /**      * A bug fix for all JDK code including 1.2. nextGaussian can theoretically      * ask for the log of 0 and divide it by 0! See Java bug <a      * href="http://developer.java.sun.com/developer/bugParade/bugs/4254501.html">      * http://developer.java.sun.com/developer/bugParade/bugs/4254501.html </a>      *       * @return the next Gaussian      */     @Override     synchronized public double nextGaussian()     {         if (this.__haveNextNextGaussian)         {             this.__haveNextNextGaussian = false;             return this.__nextNextGaussian;         }         // (otherwise...)         double v1, v2, s;         do         {             v1 = 2 * nextDouble() - 1; // between -1.0 and 1.0             v2 = 2 * nextDouble() - 1; // between -1.0 and 1.0             s = v1 * v1 + v2 * v2;         }while (s >= 1 || s == 0);         double multiplier = Math.sqrt(-2 * Math.log(s) / s);         this.__nextNextGaussian = v2 * multiplier;         this.__haveNextNextGaussian = true;         return v1 * multiplier;     } }